JP2015511186A - Method for producing composite polymer - Google Patents

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Abstract

10〜50重量%の木材パルプ繊維と、45〜85重量%の熱可塑性ポリマーとを含む押出し物をダイで押出し成形すること、押出し物を切断してペレットにすること、押出し物より温度が低い水を用いて押出し物からペレットを取り出すこと、ペレットを水からろ過することを含む、木材パルプ繊維と熱可塑性ポリマーとを含むペレットの製造方法である。一実施態様において、ペレット中の木材パルプ繊維は、1%またはそれ未満の含水量を有する。一実施態様において、木材繊維は膨潤していない。【選択図】図10Extrudates containing 10-50% by weight wood pulp fibers and 45-85% by weight thermoplastic polymer are extruded with a die, the extrudate is cut into pellets, the temperature is lower than the extrudate A method for producing a pellet comprising wood pulp fibers and a thermoplastic polymer, comprising removing the pellet from the extrudate using water and filtering the pellet from the water. In one embodiment, the wood pulp fibers in the pellets have a moisture content of 1% or less. In one embodiment, the wood fibers are not swollen. [Selection] Figure 10

Description

優先権出願の相互参照
本出願は、2012年2月14日付けで出願された「複合ポリマーの製造方法(PROCESS FOR MAKING COMPOSITE POLYMER)」という表題の米国仮特許出願第61/598,876号に基づく優先権を受ける権利があり、その利益を主張し、その内容は参照により本明細書に組み入れられる。
CROSS-REFERENCE This application priority application is February 2012 "method of manufacturing a composite polymer (PROCESS FOR MAKING COMPOSITE POLYMER)" filed in 14 days with that of the title U.S. Provisional Patent Application No. 61 / 598,876 Have the right to claim and claim its benefit, the contents of which are incorporated herein by reference.

発明の分野
本発明は、ポリマーマトリックスを化学木材パルプ繊維と溶融加工することにより誘導される高分子複合材料に関する。
FIELD OF THE INVENTION This invention relates to polymer composites derived by melt processing a polymer matrix with chemical wood pulp fibers.

図1は、高分子複合材料の製造に使用される粒子の略図である。FIG. 1 is a schematic illustration of particles used in the production of a polymer composite. 図2は、高分子複合材料の製造に使用される粒子の略図である。FIG. 2 is a schematic representation of the particles used in the production of the polymer composite. 図3は、高分子複合材料の製造に使用される粒子の略図である。FIG. 3 is a schematic representation of the particles used in the production of the polymer composite material. 図4は、高分子複合材料の製造に使用される粒子の略図である。FIG. 4 is a schematic representation of the particles used in the production of the polymer composite material. 図5は、高分子複合材料の製造に使用される粒子の略図である。FIG. 5 is a schematic representation of the particles used in the production of the polymer composite. 図6は、ミキサーの略図である。FIG. 6 is a schematic diagram of a mixer. 図7は、ペレットミルの略図である。FIG. 7 is a schematic diagram of a pellet mill. 図8は、ペレットミルの略図である。FIG. 8 is a schematic diagram of a pellet mill. 図9は、本発明のペレットの製造に有用なシングルスクリュー押出機の略図である。FIG. 9 is a schematic representation of a single screw extruder useful for producing the pellets of the present invention. 図10は、化学木材パルプ繊維含量が50重量%またはそれ未満の高分子複合材料を製造するための装置および方法の実施態様の略図である。FIG. 10 is a schematic illustration of an embodiment of an apparatus and method for producing a polymer composite having a chemical wood pulp fiber content of 50% by weight or less. 図11は、第一のツインスクリューミキサーの開放面の断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view of the open surface of the first twin screw mixer. 図12は、第一のツインスクリューミキサー用のレストリクターの側面図である。FIG. 12 is a side view of a restrictor for the first twin screw mixer. 図13は、第一のツインスクリューミキサー用のレストリクターの正面図である。FIG. 13 is a front view of a restrictor for the first twin screw mixer. 図14は、化学木材パルプ繊維含量が50重量%またはそれ未満の高分子複合材料を製造するための装置および方法の他の実施態様の略図である。FIG. 14 is a schematic representation of another embodiment of an apparatus and method for producing a polymeric composite material having a chemical wood pulp fiber content of 50% by weight or less. 図15は、水中ペレット化システムの略図である。FIG. 15 is a schematic diagram of an underwater pelletization system.

本発明は、木材パルプ繊維および熱可塑性ポリマーを含む複合高分子材料を生産する経済的な手段を提供することを対象とする。一実施態様において、木材パルプ繊維は、化学木材パルプ繊維である。一実施態様において、木材パルプ繊維は、クラフト化学木材パルプ繊維である。一実施態様において、木材パルプ繊維は、漂白木材パルプ繊維である。一実施態様において、木材パルプ繊維は、漂白化学木材パルプ繊維である。簡単にするために、用語「木材パルプ繊維」が使用されるが、漂白化学木材パルプ繊維は、他のいくつかの繊維にはない特性を有することに留意されたい。   The present invention is directed to providing an economic means of producing composite polymeric materials comprising wood pulp fibers and thermoplastic polymers. In one embodiment, the wood pulp fiber is a chemical wood pulp fiber. In one embodiment, the wood pulp fibers are kraft chemical wood pulp fibers. In one embodiment, the wood pulp fibers are bleached wood pulp fibers. In one embodiment, the wood pulp fibers are bleached chemical wood pulp fibers. For simplicity, the term “wood pulp fiber” is used, but it should be noted that bleached chemical wood pulp fiber has properties not found in some other fibers.

本発明は、パルプ繊維源として多数の樹種を利用することができる。針葉樹および広葉樹種ならびにこれらの混合物を使用することができる。またこれらは、軟材および硬材としても知られている。典型的な軟材種は、様々なトウヒ(例えば、アラスカトウヒ(Sitka Spruce))、モミ(ダグラスファー)、様々なツガ(アメリカツガ)、アメリカカラマツ、カラマツ、様々なマツ(サザンパイン、ストローブマツ、およびカリビアンパイン(Caribbean pine))、ヒノキおよびアメリカスギまたはそれらの混合物である。典型的な硬材種は、トリネコ、アスペン、ハコヤナギ、シナノキ、カバノキ、ブナノキ、クリノキ、ゴム、ニレ、ユーカリ、カエデオーク、ポプラ、およびスズカケノキまたはそれらの混合物である。   The present invention can utilize a number of tree species as pulp fiber sources. Coniferous and hardwood species and mixtures thereof can be used. They are also known as soft and hard materials. Typical softwood varieties include various spruce (eg, Sitka Spruce), fir (Douglas fir), various tsutsu (American eel), American larch, larch, various pine (Southern pine, strobe pine, And Caribbean pine), cypress and American cedar or mixtures thereof. Typical hardwood varieties are avian cat, aspen, cotton willow, linden, birch, beech, linden, rubber, elm, eucalyptus, maple oak, poplar, and sycamore or mixtures thereof.

軟材種または硬材種のどちらを使用するかは、望ましい繊維長さによって部分的に決めることができる。硬材または広葉樹種は、1〜2mmの繊維長さを有する。軟材または針葉樹種は、3.5〜7mmの繊維長さを有する。ダグラスファー、アメリカオオモミ、アメリカツガ、西洋カラマツ(western larch)、およびサザンパインは、4〜6mm範囲の繊維長さを有する。パルプ化および漂白およびダイシングにより、繊維が破断して平均長さが小さくなる可能性がある。   Whether to use soft or hard grades can be determined in part by the desired fiber length. Hardwood or hardwood species have a fiber length of 1-2 mm. Softwood or softwood species have a fiber length of 3.5-7 mm. Douglas fir, American fir, American hemlock, western larch, and southern pine have fiber lengths in the 4-6 mm range. Pulping and bleaching and dicing can cause the fibers to break and reduce the average length.

セルロース木材パルプ繊維は、リグニンが除去されており、さらにヘミセルロースの一部が除去されている点で木材繊維とは異なる。木材繊維では、これらの材料は保持されたままである。木材パルプ繊維中に残存する材料の量は、その作製過程に依存すると予想される。   Cellulose wood pulp fibers differ from wood fibers in that lignin is removed and a portion of hemicellulose is removed. In wood fibers, these materials remain retained. The amount of material remaining in the wood pulp fibers is expected to depend on the production process.

機械パルプでは、例えば粉砕などの機械的な手段によって繊維が分離されるが、この過程は、蒸煮(steaming)および亜硫酸ナトリウムを用いた何らかの化学的な前処理を包含していてもよい。リグニンが柔らかくなると、繊維がばらばらになる。リグニンおよびヘミセルロース、加えてセルロースの多くが繊維に残る。収量、すなわちパルプ化の後に残る材料のパーセンテージは高い。繊維は過酸化物で漂白することができるが、この過程では材料の多くは除去されない。   In mechanical pulp, the fibers are separated by mechanical means such as grinding, for example, but this process may involve steaming and some chemical pretreatment with sodium sulfite. As lignin softens, the fibers fall apart. Lignin and hemicellulose, as well as much of the cellulose, remains in the fiber. The yield, ie the percentage of material remaining after pulping, is high. Although the fiber can be bleached with peroxide, much of the material is not removed in this process.

ケミカルパルプ化では、リグニンは、木材チップとパルプ化のための化学物質との化学反応の間に除去される。またヘミセルロースも、この反応の間に除去される場合がある。除去される材料の量は、パルプ化過程で使用される化学物質に依存すると予想される。クラフトまたは硫酸塩法で除去される材料の量は、前加水分解段階での亜硫酸塩法またはクラフト法よりも少ない。クラフト法における収量は、前加水分解による亜硫酸塩法またはクラフトにおける収量よりも高い。後者の2つの過程では、高いパーセンテージのセルロースを含み、ヘミセルロースまたはリグニンはわずかしか含まない生成物が生成する。   In chemical pulping, lignin is removed during the chemical reaction between the wood chips and the chemical for pulping. Hemicellulose may also be removed during this reaction. The amount of material removed is expected to depend on the chemicals used in the pulping process. The amount of material removed by the kraft or sulfate process is less than the sulfite or kraft process in the prehydrolysis stage. The yield in the kraft process is higher than the yield in the sulfite process or kraft by prehydrolysis. The latter two processes produce a product that contains a high percentage of cellulose and little hemicellulose or lignin.

漂白化学木材パルプは、より多くのリグニンおよびヘミセルロースが除去されている。
パルプ製造において、木質材料は、ケミカルパルプ化過程で繊維に砕解される。次いで場合により繊維を漂白してもよい。次いでストックチェスト中で繊維と水とを合わせて、スラリーを形成する。次いでスラリーをヘッドボックスに通して、ワイヤー上に置き、脱水し、乾燥させて、パルプシートを形成する。ストックチェスト中、ヘッドボックス中またはその両方で、添加剤を繊維と合わせてもよい。脱水および乾燥の前に、その際に、またはその後に、パルプシート上に材料を噴霧してもよい。クラフトパルプ化過程は、典型的には、木材パルプの製造に使用される。
Bleached chemical wood pulp has more lignin and hemicellulose removed.
In pulp production, woody material is disintegrated into fibers during the chemical pulping process. The fiber may then optionally be bleached. The fibers and water are then combined in a stock chest to form a slurry. The slurry is then passed through a head box, placed on a wire, dewatered and dried to form a pulp sheet. Additives may be combined with the fibers in the stock chest, in the headbox, or both. The material may be sprayed onto the pulp sheet before, during or after dehydration and drying. The kraft pulping process is typically used for the production of wood pulp.

木材繊維と木材パルプ繊維とでは違いがある。木材繊維は、リグニンによって結合した木材繊維のグループである。木材パルプ繊維のルーメンは、乾燥過程中に崩壊する。乾燥した化学木材パルプ繊維は平坦である。木材繊維の束における木材繊維それぞれのルーメンは開いたままである。平坦な木材パルプ繊維は、木材繊維よりも柔軟である。   There is a difference between wood fiber and wood pulp fiber. Wood fibers are a group of wood fibers joined by lignin. The wood pulp fiber lumen collapses during the drying process. The dried chemical wood pulp fibers are flat. The lumens of each wood fiber in the wood fiber bundle remain open. Flat wood pulp fibers are more flexible than wood fibers.

セルロース質木材パルプ繊維は、市販のセルロース質木材パルプの形態であってもよい。パルプは、典型的には、ロールの形態または梱包した形態で送られる。パルプシートは、2つの対向した実質的に平行な面を有し、これらの面と面との距離は、粒子の厚さとなる。典型的なパルプシートは、0.1mm〜4mmの厚さであってもよい。いくつかの実施態様において、厚さは、0.5mm〜4mmであってもよい。   Cellulosic wood pulp fibers may be in the form of commercially available cellulosic wood pulp. Pulp is typically sent in roll or packaged form. The pulp sheet has two opposing substantially parallel faces, the distance between these faces being the thickness of the particles. A typical pulp sheet may be 0.1 mm to 4 mm thick. In some embodiments, the thickness may be between 0.5 mm and 4 mm.

木材パルプシートは、計量や熱可塑性ポリマーとの混合を容易にするために、粒子に形成される。
繊維シートおよび粒子は、12g/m(gsm)〜2000g/mの基本重量を有していてもよい。一実施態様において、粒子は、600g/m〜1900g/mの基本重量を有していてもよい。他の実施態様において、粒子は、500g/m〜900g/mの基本重量を有していてもよい。紙シートの場合、一実施態様は、70gsm〜120gsmの基本重量を有していてもよい。他の実施態様において、板紙は、100gsm〜350gsmの基本重量を有していてもよい。他の実施態様において、特殊な用途の繊維シートは、350gsm〜500gsmの基本重量を有していてもよい。
The wood pulp sheet is formed into particles to facilitate metering and mixing with the thermoplastic polymer.
Fiber sheet and particles may have a basis weight of 12g / m 2 (gsm) ~2000g / m 2. In one embodiment, the particles may have a basis weight of 600g / m 2 ~1900g / m 2 . In another embodiment, the particles may have a basis weight of 500g / m 2 ~900g / m 2 . For paper sheets, one embodiment may have a basis weight of 70 gsm to 120 gsm. In other embodiments, the paperboard may have a basis weight of 100 gsm to 350 gsm. In other embodiments, the special purpose fiber sheet may have a basis weight of 350 gsm to 500 gsm.

またパルプ用添加剤または前処理によっても、粒子の特徴は変化する可能性がある。デボンダーで処理したパルプは、デボンダー処理していないパルプよりもゆるい粒子を提供すると予想される。ゆるい粒子は、その粒子と合わせられる材料中により容易に分散することができる。パルプシートの厚さは、粒子の厚さを決定できる要素の1つである。   The characteristics of the particles can also change with pulp additives or pretreatment. Debonder treated pulp is expected to provide looser particles than undebonded pulp. Loose particles can be more easily dispersed in the material combined with the particles. Pulp sheet thickness is one of the factors that can determine particle thickness.

一実施態様において、粒子は六角形であり、その一実施態様を図1に示す。六角形は、完全に等辺の六角形から完全に非対称の六角形まであらゆるタイプのものであってもよい。等辺ではない場合、長軸は、4〜8ミリメートル(mm)であってもよく、短軸は、2〜5mmであってもよい。六角形の辺のうちいくつかが同じ長さを有していてもよいし、辺のいくつかまたは全ては異なる長さを有していてもよい。六角形の円周または外周は、12mm〜30mmであってもよいし、粒子の上面または下面24または26の面積は、12〜32mmであってもよい。一実施態様において、粒子は、0.1〜1.5mmの厚さ、4.5〜6.5mmの長さ、3〜4mmの幅、および15〜20mmの1つの面の面積を有していてもよい。他の実施態様において、粒子は、1〜4mmの厚さ、5〜8mmの長さ、2.5〜5mmの幅、および12〜20mmの1つの面の面積を有していてもよい。 In one embodiment, the particles are hexagonal, one embodiment of which is shown in FIG. The hexagons may be of any type, from completely equilateral hexagons to completely asymmetric hexagons. If they are not equilateral, the major axis may be 4-8 millimeters (mm) and the minor axis may be 2-5 mm. Some of the hexagonal sides may have the same length, and some or all of the sides may have different lengths. The circumference or outer circumference of the hexagon may be 12 to 30 mm, and the area of the upper or lower surface 24 or 26 of the particles may be 12 to 32 mm 2 . In one embodiment, the particles have a thickness of 0.1 to 1.5 mm, a length of 4.5 to 6.5 mm, a width of 3 to 4 mm, and an area of one face of 15 to 20 mm 2. It may be. In other embodiments, the particles may have a thickness of 1 to 4 mm, a length of 5 to 8 mm, a width of 2.5 to 5 mm, and a surface area of 12 to 20 mm 2 .

六角形に成形された粒子の2つの例を示す。
図1〜3において、粒子10は六角形であり、長さが等しく、他の4つの辺14、16、20、および22よりも長い2つの対向した辺12および18を有する。他の4つの辺14、16、20、および22は示した通りに同じ長さであってもよく、または4つの辺は異なる長さであってもよい。これらの辺のうち2つ、例えば14と20または14と22のような両端にある辺が、同じ長さであってもよいし、両端における他の2辺、16と22または16と20が、同じ長さであってもよいし、または異なる長さを有していてもよい。これらのバリエーションのそれぞれにおいて、辺10および18は、同じ長さであってもよいし、または異なる長さであってもよい。粒子の端部は、鋭くてもよいし、または丸められていてもよい。
Two examples of particles shaped into hexagons are shown.
1-3, the particle 10 is hexagonal and has two opposing sides 12 and 18 that are equal in length and longer than the other four sides 14, 16, 20, and 22. The other four sides 14, 16, 20, and 22 may be the same length as shown, or the four sides may be different lengths. Two of these sides, for example, 14 and 20 or sides at both ends such as 14 and 22 may be the same length, or the other two sides at both ends, 16 and 22 or 16 and 20 , May be the same length or may have different lengths. In each of these variations, sides 10 and 18 may be the same length or different lengths. The ends of the particles may be sharp or rounded.

粒子10の上部24と下部26との距離は、0.1mm〜4mmであってもよい。
図4および5は、六角形の6つの辺それぞれの長さが異なる実施態様を例示する。示された実施態様は例示的なものである。辺の長さの順番と辺の長さのサイズは様々であってもよい。
The distance between the upper part 24 and the lower part 26 of the particle 10 may be 0.1 mm to 4 mm.
4 and 5 illustrate embodiments in which the length of each of the six sides of the hexagon is different. The illustrated embodiment is exemplary. The order of the side lengths and the size of the side lengths may vary.

上記で説明した形状、サイズ、および基本重量を有する粒子は、重量の減少や、当業界周知の定量供給システムで計量することができる。
粒子内の繊維のアライメントは、六角形の長軸に平行であってもよいし、または六角形の長軸に垂直であってもよいし、またはその間のあらゆる方向であってもよい。
Particles having the shapes, sizes, and basis weights described above can be weighed by weight reduction or metered delivery systems well known in the art.
The alignment of the fibers within the particles may be parallel to the major axis of the hexagon, or perpendicular to the major axis of the hexagon, or in any direction therebetween.

六角形の粒子は、ヘニオン(Henion)ダイサーで形成が可能であるが、他の手段を使用して六角形の粒子を生産することも可能である。
またパルプ粒子の他の形態も使用することができる。添加の容易さは、粒子の形状に依存する可能性がある。
Hexagonal particles can be formed with a Henion dicer, but other means can be used to produce hexagonal particles.
Other forms of pulp particles can also be used. The ease of addition may depend on the shape of the particles.

ポリマーマトリックスは、ホストポリマーとして機能し、これは、化学木材パルプ供給材料を包含する溶融加工可能な組成物の成分である。溶融加工を使用して、ポリマーと化学木材パルプ繊維とを合わせることができる。溶融加工では、ポリマーを加熱し、融解させて、このポリマーと化学木材パルプ繊維とを合わせる。この過程中に、繊維は単一化される。   The polymer matrix functions as a host polymer, which is a component of a melt processable composition that includes a chemical wood pulp feed. Melt processing can be used to combine the polymer and chemical wood pulp fibers. In melt processing, the polymer is heated and melted to combine the polymer with chemical wood pulp fibers. During this process, the fibers are singulated.

ポリマーは熱可塑性である。
溶融加工に好適であると当業界において慣習的に認められている多種多様のポリマーが、ポリマーマトリックスとして有用である。ポリマーマトリックスは、実質的に、特に妨害要素または他の不混和性ポリマーと組み合わされた場合に溶融加工しにくいと言われることもあるポリマーを包含する。これらは、炭化水素ポリマーと非炭化水素ポリマーの両方を包含する。有用なポリマーマトリックスの例としては、これらに限定されないが、高密度ポリエチレン(HDPE)、低密度ポリエチレン(LDPE)、直鎖状低密度ポリエチレン(LLDPE)、ポリプロピレン(PP)、ポリオレフィンコポリマー(例えば、エチレン−ブテン、エチレン−オクテン、エチレンビニルアルコール)、ポリスチレン、ポリスチレンコポリマー(例えば、耐衝撃性ポリスチレン、アクリロニトリルブタジエンスチレンコポリマー)、ポリアクリレート、ポリメタクリレート、ポリエステル、ポリ塩化ビニル(PVC)、フルオロポリマー、液晶ポリマー、ポリアミド、ポリエーテルイミド、ポリフェニレンスルフィド、ポリスルホン、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリフェニレンオキサイド、ポリウレタン、熱可塑性エラストマー、エポキシ、アルキド、メラミン、フェノール系樹脂、尿素、ビニルエステル、またはそれらの組み合わせなどが挙げられる。所定の実施形態において、最も好適なポリマーマトリックスは、ポリオレフィンである。
The polymer is thermoplastic.
A wide variety of polymers conventionally recognized in the art as suitable for melt processing are useful as the polymer matrix. The polymer matrix substantially includes polymers that may be said to be difficult to melt process, particularly when combined with interfering elements or other immiscible polymers. These include both hydrocarbon and non-hydrocarbon polymers. Examples of useful polymer matrices include, but are not limited to, high density polyethylene (HDPE), low density polyethylene (LDPE), linear low density polyethylene (LLDPE), polypropylene (PP), polyolefin copolymers (eg, ethylene -Butene, ethylene-octene, ethylene vinyl alcohol), polystyrene, polystyrene copolymers (eg high impact polystyrene, acrylonitrile butadiene styrene copolymers), polyacrylates, polymethacrylates, polyesters, polyvinyl chloride (PVC), fluoropolymers, liquid crystal polymers , Polyamide, polyetherimide, polyphenylene sulfide, polysulfone, polyacetal, polycarbonate, polyphenylene oxide, polyurethane, heat Plastic elastomer, epoxy, alkyd, melamine, phenolic resin, urea, vinyl esters or combinations thereof and the like. In certain embodiments, the most preferred polymer matrix is a polyolefin.

また再利用プラスチックから誘導されるポリマーマトリックスも、より低コストであることが多いため、適用可能である。しかしながら、このような材料は、複数種の廃棄物ストリームに由来する材料から誘導されることが多いために、これらは大いに異なる溶融レオロジーを有する可能性がある。これは、加工するのに極めて問題のある材料をもたらす可能性がある。再利用高分子マトリックスにセルロース質供給材料を添加することにより、溶融粘度が高くなり、全体的なばらつきが小さくなり、したがって加工性が改善されると予想される。   Polymer matrices derived from recycled plastics are also applicable because they are often less expensive. However, since such materials are often derived from materials derived from multiple types of waste streams, they can have very different melt rheology. This can result in materials that are extremely problematic to process. Addition of cellulosic feedstock to the recycled polymer matrix is expected to increase melt viscosity and reduce overall variability, thus improving processability.

いくつかの実施態様において、以下の熱可塑性ポリマー;バイオポリマー、例えばポリ乳酸(PLA)、酢酸セルロース、セルロースプロピオナート、酪酸セルロースなど;ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリオレフィン、例えばポリエチレン、高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、直鎖状低密度ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリスチレンコポリマー、例えばアクリロニトリル−ブタジエン−スチレンコポリマー(ABS)、スチレンブロックコポリマー、塩化ビニル(PVC)、および再利用プラスチックが使用される可能性がある。   In some embodiments, the following thermoplastic polymers; biopolymers such as polylactic acid (PLA), cellulose acetate, cellulose propionate, cellulose butyrate, etc .; polycarbonates, polyethylene terephthalate, polyolefins such as polyethylene, high density polyethylene, low Density polyethylene, linear low density polyethylene, polypropylene, polystyrene, polystyrene copolymers such as acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer (ABS), styrene block copolymer, vinyl chloride (PVC), and recycled plastics may be used .

熱可塑性ポリマーは、バイオポリマー、ポリ乳酸、酢酸セルロース、プロピオン酸セルロース、酪酸セルロース、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリオレフィン、ポリエチレン、高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、直鎖状低密度ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリスチレンコポリマー、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレンコポリマー、スチレンブロックコポリマー、塩化ビニル、および再利用プラスチックからなる群より選択することができる。   Thermoplastic polymers are biopolymer, polylactic acid, cellulose acetate, cellulose propionate, cellulose butyrate, polycarbonate, polyethylene terephthalate, polyolefin, polyethylene, high density polyethylene, low density polyethylene, linear low density polyethylene, polypropylene, polystyrene, polystyrene It can be selected from the group consisting of copolymers, acrylonitrile-butadiene-styrene copolymers, styrene block copolymers, vinyl chloride, and recycled plastics.

一実施態様において、化学木材パルプ供給材料は、不相容性ポリマーマトリックス(例えば、ポリオレフィン)と共に溶融加工される。他の実施態様において、化学木材パルプ供給材料は、相溶性ポリマーマトリックス(例えば、変性セルロース系ポリマー)と共に溶融加工される。例えば、本発明の化学木材パルプ供給材料が、プロピオン酸セルロース(テナイト(Tenite)(商標)350E)と共に溶融加工される場合、その結果得られた複合材料は、優れた繊維の分散度と機械特性を有することが見出された。   In one embodiment, the chemical wood pulp feed is melt processed with an incompatible polymer matrix (eg, polyolefin). In other embodiments, the chemical wood pulp feed is melt processed with a compatible polymer matrix (eg, a modified cellulosic polymer). For example, when the chemical wood pulp feed of the present invention is melt processed with cellulose propionate (Tenite ™ 350E), the resulting composite material has excellent fiber dispersion and mechanical properties. It was found to have

また本発明は、複合調合物に相溶化物質を使用することも考慮する。相溶化物質は、典型的には、フィラーと高分子マトリックスとの界面の湿潤を改善するのに使用される。カップリング剤または相溶化剤の添加は、その結果得られた複合材の機械特性を改善することが多い。本発明は、従来知られているように、本発明の化学木材パルプ繊維と高分子マトリックスとの間の湿潤を改善するために相溶化物質を利用する。しかしながら、本発明者らはさらに、相溶化物質の添加は、本発明の化学木材パルプ供給材料とある種のポリマーとの分散を改善することも見出した。相溶化物質とカップリング剤とが、2種の材料間の相溶性を提供するために異なって作用したとしても、これらは同義的に使用される場合もある。   The present invention also contemplates the use of compatibilizing materials in the composite formulation. Compatibilizing materials are typically used to improve the wetting of the filler / polymer matrix interface. The addition of a coupling agent or compatibilizer often improves the mechanical properties of the resulting composite. The present invention utilizes compatibilizing materials to improve wetting between the chemical wood pulp fibers of the present invention and the polymeric matrix, as is known in the art. However, the inventors have further found that the addition of a compatibilizing material improves the dispersion between the chemical wood pulp feed of the present invention and certain polymers. Even if the compatibilizing material and the coupling agent act differently to provide compatibility between the two materials, they may be used interchangeably.

ポリオレフィンと使用するのに好ましい相溶化物質は、ポリオレフィン−グラフト−無水マレイン酸コポリマーである。一実施態様において、このポリマーマトリックスおよびセルロース質供給材料は、ポリオレフィン−グラフト−無水マレイン酸コポリマーと共に溶融加工される。本発明の市販の相溶化物質としては、ポリボンド(Polybond(商標))(ケムチュラ(Chemtura))、エクセラー(Exxelor(商標))(エクソン・モービル(Exxon Mobil))、フサボンド(Fusabond(商標))(デュポン(DuPont))、ロタデール(Lotader(商標))(アルケマ(Arkema))、ボンディーラム(Bondyram(商標))(マルーン(Maroon))、インテグレート(Integrate)(エキスター(Equistar))という商品名で販売されているものが挙げられる。ポリマーマトリックスは、化学木材パルプ供給材料に加えて、1種またはそれより多くのフィラーを含有していてもよい。グラフトコポリマー中のポリオレフィンは、高分子マトリックス中のポリマーとして使用されるポリオレフィンと同じであると予想される。例えばポリエチレン−グラフト−無水マレイン酸は、ポリエチレンと共に使用され、ポリプロピレン−グラフト−無水マレイン酸は、ポリプロピレンと共に使用されると予想される。   A preferred compatibilizing material for use with polyolefins is a polyolefin-graft-maleic anhydride copolymer. In one embodiment, the polymer matrix and cellulosic feed are melt processed with a polyolefin-graft-maleic anhydride copolymer. Commercially compatible compatibilizers of the present invention include Polybond ™ (Chemtura), Exxelor ™ (Exxon Mobil), Fusabond ™ ( It is sold under the trade names DuPont, Lotader ™ (Arkema), Bondyram ™ (Maroon), and Integrate (Equistar). Are listed. The polymer matrix may contain one or more fillers in addition to the chemical wood pulp feed. The polyolefin in the graft copolymer is expected to be the same as the polyolefin used as the polymer in the polymer matrix. For example, polyethylene-graft-maleic anhydride is expected to be used with polyethylene, and polypropylene-graft-maleic anhydride is expected to be used with polypropylene.

一実施態様では、約5〜10%、他の実施態様では0.2〜5%の量の相溶化物質が複合調合物および溶融加工可能な組成物に取り入れられる。
望ましい物理特性を付与するために、または所定の用途に必要なポリマーの量を少なくするために、化学木材パルプ繊維以外のフィラーおよび繊維が繊維/ポリマーブレンドに添加されてもよい。フィラーは水分を含有することが多いため、ポリマーマトリックス中に存在する相溶化剤の有効性を低下させる。フィラーおよび繊維の非限定的な例としては、木粉、化学木材パルプ繊維以外の天然繊維、ガラス繊維、炭酸カルシウム、タルク、シリカ、粘土、水酸化マグネシウム、および水酸化アルミニウム(aluminum trihydroxide)が挙げられる。
In one embodiment, the compatibilizing material in an amount of about 5-10%, and in another embodiment 0.2-5%, is incorporated into the composite formulation and melt processable composition.
Fillers and fibers other than chemical wood pulp fibers may be added to the fiber / polymer blend to impart desirable physical properties or to reduce the amount of polymer required for a given application. Fillers often contain moisture, thus reducing the effectiveness of the compatibilizer present in the polymer matrix. Non-limiting examples of fillers and fibers include wood flour, natural fibers other than chemical wood pulp fibers, glass fibers, calcium carbonate, talc, silica, clay, magnesium hydroxide, and aluminum trihydroxide. It is done.

本発明の他の形態において、溶融加工可能な組成物は、他の添加剤を含有していてもよい。従来の添加剤の非限定的な例としては、酸化防止剤、光安定剤、繊維、発泡剤、発泡添加剤、アンチブロッキング剤、熱安定剤、衝撃改質剤、殺生剤、難燃剤、可塑剤、粘着性付与剤、着色剤、加工助剤、潤滑剤、相溶化剤、および顔料が挙げられる。添加剤は、粉末、ペレット、顆粒の形態で、または他のあらゆる押出し可能な、もしくは配合可能な形態で溶融加工可能な組成物に取り入れられてもよい。溶融加工可能な組成物中の従来の添加剤の量およびタイプは、ポリマーマトリックスおよび完成した組成物の望ましい物理的特性に応じて様々であり得る。溶融加工分野の当業者であれば、完成した材料の望ましい物理的特性を達成するために、添加剤の適切な量およびタイプを選択して、特定のポリマーマトリックスに適合させることができる。   In other forms of the invention, the melt processable composition may contain other additives. Non-limiting examples of conventional additives include antioxidants, light stabilizers, fibers, foaming agents, foaming additives, anti-blocking agents, thermal stabilizers, impact modifiers, biocides, flame retardants, plastics Agents, tackifiers, colorants, processing aids, lubricants, compatibilizers, and pigments. The additive may be incorporated into the melt processable composition in the form of powder, pellets, granules, or in any other extrudable or compoundable form. The amount and type of conventional additives in the melt processable composition can vary depending on the desired physical properties of the polymer matrix and the finished composition. One skilled in the melt processing art can select the appropriate amount and type of additives to suit the particular polymer matrix in order to achieve the desired physical properties of the finished material.

本発明の複合ポリマーは、熱可塑性ポリマーマトリックス中に均一に分散された木材パルプ繊維を有する。まず木材パルプ繊維を熱可塑性ポリマーマトリックス中に分散させるが、ここで木材パルプ繊維は、組成物全量の65〜90重量%である。   The composite polymer of the present invention has wood pulp fibers uniformly dispersed in a thermoplastic polymer matrix. First, wood pulp fibers are dispersed in a thermoplastic polymer matrix, where wood pulp fibers are 65 to 90% by weight of the total composition.

高分子マトリックス全体に化学木材パルプ繊維を均一に分散させることに関連する問題がある。繊維は、最初のうちは乾燥パルプシートの形態である。乾燥により、パルプ繊維が壊れる。また乾燥により、パルプ繊維が水素結合により結合する。実質的にばらけた繊維を得るために、水素結合は破壊しなければならない。繊維の一部は結合したままと予想される。これらは、サイズに応じてノットまたはニットと呼ばれる。通常、繊維間の水素結合を破壊した後に残るノットおよびニットはわずかであると予想される。   There are problems associated with uniformly dispersing chemical wood pulp fibers throughout the polymer matrix. The fiber is initially in the form of a dry pulp sheet. Drying breaks the pulp fibers. Further, the pulp fibers are bonded by hydrogen bonding by drying. In order to obtain substantially loose fibers, the hydrogen bonds must be broken. Some of the fibers are expected to remain bonded. These are called knots or knits depending on the size. Usually, only a few knots and knits are expected to remain after breaking the hydrogen bonds between the fibers.

また、繊維/ポリマー混合物の総重量の65重量%またはそれより高いレベルで化学木材パルプ繊維を提供することに関連する問題もある。ポリマーの量がより少ないということは、高分子マトリックス中に繊維を分散することがより難しいということである。繊維/ポリマー混合物は、繊維の量が増加するにつれてより粘性になり、したがって、マトリックス内で繊維を移動させて分散させることがより難しくなる。目的は、繊維の凝集塊がほとんどない状態にすることである。   There are also problems associated with providing chemical wood pulp fibers at a level of 65% by weight or higher of the total weight of the fiber / polymer mixture. The lower amount of polymer means that it is more difficult to disperse the fibers in the polymer matrix. The fiber / polymer mixture becomes more viscous as the amount of fiber increases, thus making it more difficult to move and disperse the fibers within the matrix. The objective is to have almost no fiber agglomerates.

一実施態様において、本発明の木材パルプ供給材料は、木材パルプシート材料を機械的にダイシングすることにより生産される。一実施態様において、木材パルプ供給材料は、従来の供給装置で使用できるように六角形にダイシングされる。他の実施態様において、形状は、三角形、長方形または五角形の粒子であってもよい。本発明の複合材料は、化学木材パルプ供給材料と共にポリマーマトリックスを溶融加工することによって生産される。一実施態様において、化学木材パルプ供給材料は、溶融加工後に、ポリマーマトリックス中に均一に分散される。   In one embodiment, the wood pulp feed of the present invention is produced by mechanically dicing wood pulp sheet material. In one embodiment, the wood pulp feed is diced into hexagons for use with conventional feeding equipment. In other embodiments, the shape may be triangular, rectangular or pentagonal particles. The composite material of the present invention is produced by melt processing a polymer matrix with a chemical wood pulp feed. In one embodiment, the chemical wood pulp feed is uniformly dispersed in the polymer matrix after melt processing.

本発明は、よく分散された化学木材パルプ繊維を含有する複合材料を生産する経済的な手段を提供するための解決法を対象とする。これは、増加したかさ密度を有し、従来の供給技術を使用して溶融加工装置に供給することができる木材パルプ供給材料を利用することによって達成される。本発明の複合材料は、ポリマーマトリックス中によく分散された木材パルプ繊維を有する。   The present invention is directed to a solution for providing an economical means of producing composite materials containing well dispersed chemical wood pulp fibers. This is accomplished by utilizing a wood pulp feed that has increased bulk density and can be fed to the melt processing equipment using conventional feeding techniques. The composite material of the present invention has wood pulp fibers well dispersed in a polymer matrix.

次いで水素結合したセルロース木材パルプ繊維をポリマーに分散させる。1つの方法は、65〜85重量%のセルロース木材パルプ繊維と、15〜35重量%のポリマーとを有する繊維高含有のマスターバッチをつくることである。必要であれば、ポリマーの一部が相溶化剤であってもよい。   The hydrogen bonded cellulose wood pulp fibers are then dispersed in the polymer. One method is to make a fiber-rich masterbatch having 65-85 wt% cellulose wood pulp fibers and 15-35 wt% polymer. If necessary, a part of the polymer may be a compatibilizer.

ポリマーへのセルロースパルプ繊維の最初の添加は、2工程での操作である。
第一の工程では、混合操作でパルプ粒子をポリマーと混ぜ合わせる。混合は、サーモカイネティックミキサー(thermokinetic mixer)またはジェリマットミキサー(Gelimat mixer)で行ってもよい。
The initial addition of cellulose pulp fibers to the polymer is a two step operation.
In the first step, the pulp particles are mixed with the polymer by a mixing operation. Mixing may be carried out in a thermokinetic mixer or a Gelimat mixer.

材料中の化学セルロース木材パルプ繊維の量は、65〜85重量%であり、ポリマーの量は、15〜35重量%である。相溶化剤が使用される場合、ポリマーの量は、相溶化剤の量の分少なくなると予想される。5重量%の相溶化剤が使用される場合、ポリマーの量は、5重量%少なくなると予想される。例えばオレフィンなどの非極性ポリマーは、相溶化剤を使用すると予想される。典型的な相溶化剤は、例えば無水マレイン酸ポリプロピレン、または無水マレイン酸ポリエチレンなどのグラフトコポリマーである。ポリマーがポリプロピレンである場合、最大2重量%の酸化防止剤も使用されると予想される。一実施態様において、0.5重量%の酸化防止剤が使用されると予想される。繊維およびポリマーは、ふわふわした材料としてサーモカイネティックミキサーから出ると予想される。   The amount of chemical cellulose wood pulp fibers in the material is 65-85% by weight and the amount of polymer is 15-35% by weight. If a compatibilizer is used, the amount of polymer is expected to be reduced by the amount of compatibilizer. If 5 wt% compatibilizer is used, the amount of polymer is expected to be 5 wt% less. Non-polar polymers such as olefins are expected to use compatibilizers. Typical compatibilizers are graft copolymers such as, for example, maleic anhydride polypropylene or maleic anhydride polyethylene. If the polymer is polypropylene, it is expected that up to 2% by weight of antioxidant will also be used. In one embodiment, 0.5% by weight of antioxidant is expected to be used. The fiber and polymer are expected to exit the thermokinetic mixer as a fluffy material.

図6にミキサー30を示す。ミキサー30は、ホッパー32を有し、これを介して材料が供給される。材料は、スクリューフィーダー34によって、モーター40によりブレード38が急速に回転する混合チャンバー36に運搬される。ブレード38が混合物中で回転すると、ブレード38により生じた遠心力により材料が混合チャンバー壁42に向かって外側に移動する。摩擦熱により高分子材料、ポリマー、および相溶化剤が溶融し、繊維がポリマーに混合される。混合後、ドア44を介して混合チャンバー36からポリマーが取り出される。   FIG. 6 shows the mixer 30. The mixer 30 has a hopper 32 through which the material is supplied. The material is conveyed by a screw feeder 34 to a mixing chamber 36 in which a blade 38 rotates rapidly by a motor 40. As the blade 38 rotates in the mixture, the centrifugal force generated by the blade 38 causes the material to move outward toward the mixing chamber wall 42. Frictional heat melts the polymeric material, polymer, and compatibilizer, and the fibers are mixed into the polymer. After mixing, the polymer is removed from the mixing chamber 36 via the door 44.

第一の工程で使用できる他の方法は、ダイプレートが開放型のツインスクリュー押出機である。ツインスクリュー押出機は、押出機からの材料の流れが妨げられないように出口端が開放型のダイプレートを有する。繊維、ポリマー、および相溶化剤の量は、上記で説明したのと同じである。材料は、塊がある材料としてツインスクリュー押出機から出ると予想される。ツインスクリューミキサーおよびその操作は、以下でより詳細に説明される。   Another method that can be used in the first step is a twin screw extruder with an open die plate. The twin screw extruder has a die plate with an open end so that the material flow from the extruder is not hindered. The amounts of fiber, polymer, and compatibilizer are the same as described above. The material is expected to exit the twin screw extruder as a massed material. The twin screw mixer and its operation are described in more detail below.

解決すべき問題は、高分子マトリックス中に繊維を実質的にばらけた形態で提供すること、および木材パルプ繊維/複合材料が複合材料全体に実質的に均一に分散された木材パルプ繊維が得られるように実質的に一定量で繊維を計量してポリマーに供給することである。本発明は、木材パルプシートからとった化学木材パルプのダイシングされた粒子を提供すること、さらに、それらを計量してポリマーに供給し、木材パルプとポリマーとを混合しながら木材パルプ繊維を実質的に単一化することである。   The problem to be solved is to provide the fibers in a substantially loose form in a polymer matrix and to obtain wood pulp fibers in which the wood pulp fibers / composites are substantially uniformly dispersed throughout the composite material Thus, the fiber is weighed in a substantially constant amount and fed to the polymer. The present invention provides diced particles of chemical wood pulp taken from a wood pulp sheet, and further weighs and feeds the polymer to substantially polymerize wood pulp fibers while mixing the wood pulp and polymer. To unify.

他の実施態様において、例えば鉱油などの油が、複合材料成分に添加されてもよい。一実施態様において、鉱油の量は、複合ポリマー材料中の材料の総重量の0.1〜5重量%であってもよい。一実施態様において、鉱油の量は、複合ポリマー材料中の材料の総重量の0.1〜2%であってもよい。一実施態様において、鉱油の量は、複合ポリマー材料中の材料の総重量の1〜2%であってもよい。一実施態様において、鉱油の量は、複合ポリマー材料中の材料の総重量の1〜1.5%であってもよい。一実施態様において、鉱油の量は、複合ポリマー材料中の材料の総重量の1.15%であってもよい。鉱油は、ポリマー形成に使用される可能性がある押出機を通る複合材料の押出し量を増加させ、複合材料中の繊維の分散に役立つと考えられる。   In other embodiments, an oil such as mineral oil may be added to the composite material component. In one embodiment, the amount of mineral oil may be 0.1-5% by weight of the total weight of materials in the composite polymer material. In one embodiment, the amount of mineral oil may be 0.1-2% of the total weight of the materials in the composite polymer material. In one embodiment, the amount of mineral oil may be 1-2% of the total weight of the material in the composite polymer material. In one embodiment, the amount of mineral oil may be 1-1.5% of the total weight of the materials in the composite polymer material. In one embodiment, the amount of mineral oil may be 1.15% of the total weight of the materials in the composite polymer material. Mineral oil is believed to increase the amount of extrusion of the composite material through an extruder that may be used for polymer formation and help disperse the fibers in the composite material.

鉱油は、0.8〜0.9の比重を有する粘性の油である。鉱油は、無色透明で無臭であり得る。一実施態様において、鉱油は、標準的な白色鉱油である。一実施態様において、鉱油は、ドラコール(Drakol)600、CAS番号8042−47−5である。   Mineral oil is a viscous oil having a specific gravity of 0.8 to 0.9. Mineral oil can be clear, colorless and odorless. In one embodiment, the mineral oil is a standard white mineral oil. In one embodiment, the mineral oil is Drakol 600, CAS number 8042-47-5.

鉱油は、第一のマスターバッチミキサーに添加され、それに続くミキサーにも添加されてもよい。鉱油は、パルプ粒子および熱可塑性ポリマーと共に添加され、材料の混合と処理速度を促進する。   Mineral oil is added to the first masterbatch mixer and may also be added to subsequent mixers. Mineral oil is added along with pulp particles and thermoplastic polymer to facilitate material mixing and processing speed.

図10において、漂白化学木材パルプ繊維粒子24または24aは、ホッパー102を介してツインスクリュー押出機100に投入される。さらにポリマーペレットも、ホッパー104を介してツインスクリュー押出機100に投入される。ホッパー104は、ホッパー102の前にあってもよいし、またはその後にあってもよい。木材パルプ繊維粒子およびポリマーペレットは、同じホッパーを介してツインスクリュー押出機に投入されてもよい。   In FIG. 10, bleached chemical wood pulp fiber particles 24 or 24 a are fed into a twin screw extruder 100 via a hopper 102. Furthermore, polymer pellets are also fed into the twin screw extruder 100 via the hopper 104. The hopper 104 may be in front of or after the hopper 102. Wood pulp fiber particles and polymer pellets may be fed into a twin screw extruder via the same hopper.

一実施態様において、ツインスクリュー押出機は、開放型ダイフェースを有する。他の実施態様において、ツインスクリュー押出機は、レストリクター105を使用することによって部分開放型ダイフェースを有する。部分的な開口部106は、どのような形状であってもよい。一実施態様において、開口部は、開放型ダイフェースの面積の20〜80%の面積を有する。他の実施態様において、開口部は、開放型ダイフェースの総面積の40〜60%の面積を有する。部分開放型ダイフェースは、ポリマー中の繊維の分散を促進する。   In one embodiment, the twin screw extruder has an open die face. In other embodiments, the twin screw extruder has a partially open die face by using a restrictor 105. The partial opening 106 may have any shape. In one embodiment, the opening has an area of 20-80% of the area of the open die face. In other embodiments, the opening has an area of 40-60% of the total area of the open die face. Partially open die faces promote fiber dispersion in the polymer.

図11に、このダイフェースの一実施態様を示す。この実施態様において、ダイフェース領域から開口部領域への移行は段階的である。レストリクター105の上面および下面107および108は、開口部106への材料の流れが制限されるように内側に向かって伸長しており、それにより開放型ダイフェースよりも高さが低い開口部が提供され、側面109および110は、外側に向かって延びており、それにより開放型ダイフェースよりも幅広な開口部が提供される。レストリクターは、押出機に押し通される材料の圧力に耐えるものであり、単一の機械加工部品であってもよい。   FIG. 11 shows one embodiment of this die face. In this embodiment, the transition from the die face region to the opening region is gradual. The upper and lower surfaces 107 and 108 of the restrictor 105 extend inward so that the flow of material to the opening 106 is restricted, thereby providing an opening that is lower than the open die face. Provided, the side surfaces 109 and 110 extend outwardly, thereby providing a wider opening than the open die face. The restrictor withstands the pressure of the material being pushed through the extruder and may be a single machined part.

図12に他の実施態様を示す。開口部は、数個の開口部111に分割されている。この場合でも、一実施態様において、開口部は、開放型ダイフェースの面積の20〜80%の面積を有する。他の実施態様において、開口部は、開放型ダイフェースの総面積の40〜60%の面積を有する。   FIG. 12 shows another embodiment. The opening is divided into several openings 111. Even in this case, in one embodiment, the opening has an area of 20-80% of the area of the open die face. In other embodiments, the opening has an area of 40-60% of the total area of the open die face.

ツインスクリュー押出機中でポリマーに添加される漂白化学木材パルプ繊維の量は、繊維、ポリマー、および添加剤の総重量の65〜85重量%である。
第一の段階の実施態様は、材料の65重量%〜85重量%が繊維であるマスターバッチの複合材料と、材料の10重量%〜50重量%が繊維である希釈複合材料(let-down composite)とで両方とも同じである。
The amount of bleached chemical wood pulp fiber added to the polymer in the twin screw extruder is 65-85% by weight of the total weight of fiber, polymer, and additive.
Embodiments of the first stage include a masterbatch composite material in which 65% to 85% by weight of the material is fiber and a diluted composite material in which 10% to 50% by weight of the material is fiber. ) And both are the same.

本発明はまた、10〜50重量パーセントの化学木材パルプ繊維を包含する複合高分子材料を生産する経済的な手段を提供するための解決法も対象とする。一実施態様において、パルプ繊維は、ポリマーマトリックス中に均一に分散される。   The present invention is also directed to a solution for providing an economical means of producing a composite polymeric material comprising 10-50 weight percent chemical wood pulp fibers. In one embodiment, the pulp fibers are uniformly dispersed in the polymer matrix.

一実施態様において、化学木材パルプ繊維は、漂白化学木材パルプ繊維である。無漂白木材パルプ繊維の代わりに漂白化学木材パルプ繊維を使用するには理由がある。
理由の1つは、色である。漂白化学木材パルプ繊維は、実質的に全てがセルロースおよびヘミセルロースである。セルロースおよびヘミセルロースはもとの色がないため、複合材料をわずかしか着色しないか、またはまったく着色しないと予想される。一方で、例えばケナフまたは木材繊維全体のような天然繊維などの無漂白繊維は、天然の状態で有色であるか、または熱可塑化処理の温度に加熱すると有色になると予想されるリグニンおよび他の化合物を最大50%有する。無漂白の、天然の、または全体の木材繊維を含む複合材料は、有色、恐らく暗褐色になると予想される。
In one embodiment, the chemical wood pulp fibers are bleached chemical wood pulp fibers. There are reasons to use bleached chemical wood pulp fibers instead of unbleached wood pulp fibers.
One reason is color. Bleached chemical wood pulp fibers are substantially all cellulose and hemicellulose. Since cellulose and hemicellulose have no original color, it is expected that the composite material will be colored little or not at all. On the other hand, unbleached fibers such as natural fibers such as kenaf or whole wood fibers are colored in the natural state or are expected to become colored when heated to the temperature of the thermoplastic treatment and other lignins and other Has up to 50% of compound. Composite materials comprising unbleached, natural or whole wood fibers are expected to be colored, possibly dark brown.

他の理由は、臭いである。セルロースは臭いがないため、漂白木材パルプ繊維を含む複合材料は、セルロースに起因する臭いがほとんどない。無漂白繊維中のリグニンおよび他の成分は、溶融加工すると強い特徴的な臭いを発し、その結果得られた複合材料に強い臭いを付与し、例えば自動車内装などの囲まれた領域でのその使用を制限する。   Another reason is odor. Because cellulose has no odor, composite materials containing bleached wood pulp fibers have little odor due to cellulose. Lignin and other components in unbleached fibers give off a strong characteristic odor when melt processed, giving the resulting composite a strong odor and its use in enclosed areas such as, for example, automotive interiors Limit.

非相溶性ポリマーに関する実施態様は、以下の成分を含有していてもよい。   Embodiments relating to incompatible polymers may contain the following components:

Figure 2015511186
Figure 2015511186

マスターバッチにおいて、材料は、例えばカリフォルニア(California)ペレットミルなどのペレットミルで、または例えばボノ(Bonnot)シングルスクリュー押出機などのシングルスクリュー押出機でさらに加工されると予想される。   In the masterbatch, the material is expected to be further processed in a pellet mill, such as a California pellet mill, or in a single screw extruder, such as a Bonnot single screw extruder.

図7および8にペレットミルの実験室バージョンを示す。ペレットミル50は、ホッパー52を有し、このホッパー52に、サーモカイネティックミキサーもしくはツインスクリュー押出機または他のミキサーからの繊維/ポリマー複合材54が移される。複合材54は、穴の開いたプレート56の上に落とされる。穴の開いたプレート56上のアパーチャ58は、押出されたペレット60の直径のサイズである。一対のホイール62により複合材料をアパーチャ58に通過させ、ペレット60が形成される。ホイール62は軸64にマウントされる。軸64はローター66にマウントされる。ローター66をモーター(示さず)により回転させて、ホイール62を穴の開いたプレート56の周りで回転させる。この装置からペレット60を取り出し、回収する。   Figures 7 and 8 show the laboratory version of the pellet mill. The pellet mill 50 has a hopper 52 into which the fiber / polymer composite 54 from a thermokinetic mixer or twin screw extruder or other mixer is transferred. The composite 54 is dropped onto a perforated plate 56. The aperture 58 on the perforated plate 56 is the size of the diameter of the extruded pellet 60. The composite material is passed through the aperture 58 by the pair of wheels 62, and the pellet 60 is formed. The wheel 62 is mounted on the shaft 64. The shaft 64 is mounted on the rotor 66. The rotor 66 is rotated by a motor (not shown) to rotate the wheel 62 around the perforated plate 56. The pellet 60 is taken out from this apparatus and collected.

繊維は、高い繊維レベルになると凝集する傾向がある。シングルスクリュー押出機を使用して、ポリマー全体にセルロースパルプ繊維を分散することができる。繊維の分散を達成するには、押出機を通る材料の流れの方向を変える必要があることが発見された。これは、押出機の外壁から押出機の空隙方向へ伸長するピンを配置することによってなされる。材料をこの装置からダイの孔に通過させることにより、押出されたペレットが形成される。材料はダイプレートの裏で詰まりやすいため、材料が効率的にダイを通過できなくなる可能性がある。ダイフェースの裏面にワイパーを付け足すことにより、複合材はより効率的にダイの孔に通過する。   Fibers tend to agglomerate at higher fiber levels. A single screw extruder can be used to disperse the cellulose pulp fibers throughout the polymer. It has been discovered that to achieve fiber dispersion it is necessary to change the direction of material flow through the extruder. This is done by placing pins that extend from the outer wall of the extruder in the direction of the extruder gap. Extruded pellets are formed by passing material from this device through the die holes. Because the material tends to clog at the back of the die plate, the material may not be able to pass through the die efficiently. By adding a wiper to the backside of the die face, the composite passes more efficiently through the die holes.

図9にシングルスクリュー押出機を示す。押出機80は、ホッパー82を有し、このホッパー82に、ミキサーからの繊維複合材が入れられる。ホッパー82はバレル84と連結しており、バレル84内にスクリュー86が通っている。スクリュー86をモーター(示さず)により回転させて、バレル中の材料をダイプレート88に向かわせる。スクリューは、複合材料がバレルを通過するときに複合材料に程度の差はあるが圧力がかかるような設計になっている。ピン90は、バレルに沿って配置される。ピン90を内側または外側に向かって移動させることにより、バレルを通る材料の流れを変えて、ポリマー内への繊維の分散を促進してもよい。ダイプレート86は、多数のアパーチャ92を有し、このアパーチャ92を材料が通過して、ストランドが形成され、場合によりペレットに切断される。   FIG. 9 shows a single screw extruder. The extruder 80 has a hopper 82 into which the fiber composite material from the mixer is put. The hopper 82 is connected to the barrel 84, and a screw 86 passes through the barrel 84. Screw 86 is rotated by a motor (not shown) to direct the material in the barrel toward die plate 88. The screw is designed such that when the composite material passes through the barrel, pressure is applied to some degree to the composite material. The pin 90 is disposed along the barrel. By moving the pin 90 inward or outward, the flow of material through the barrel may be altered to promote fiber distribution into the polymer. The die plate 86 has a large number of apertures 92 through which material passes to form strands, possibly cut into pellets.

一実施態様において、第一のツインスクリューミキサーは、第二のシングルスクリュー押出機と直接連結されていてもよく、材料は、第一のミキサーから第二のミキサーに直接受け渡されると予想される。同じモーターでこれら両方を稼働させてもよい。図14にこの実施態様を示す。   In one embodiment, the first twin screw mixer may be directly connected to the second single screw extruder and the material is expected to be passed directly from the first mixer to the second mixer. . Both of these may be operated by the same motor. FIG. 14 shows this embodiment.

マスターバッチのペレットは、65〜85重量%の化学木材パルプ繊維と、15〜35重量%のポリマーとを含有する。
図10は、50%またはそれ未満の化学木材パルプ繊維を有する高分子複合材料を製造するための方法および装置の実施態様である。
The masterbatch pellets contain 65-85% by weight chemical wood pulp fibers and 15-35% by weight polymer.
FIG. 10 is an embodiment of a method and apparatus for producing a polymer composite having 50% or less chemical wood pulp fibers.

ツインスクリュー押出機からの材料を第二のツインスクリュー押出機120に移し、ホッパー122を介して追加のポリマーを添加する。他の成分も同様に、スロートに添加してもよいし、またはサイドスタッファー(図には示さず)を介して添加してもよい。ポリマーは、第一のツインスクリュー押出機100で使用したものと同じである。添加されるポリマーの量は、複合材料中の望ましい木材パルプ繊維含量を達成するのに必要な量である。   The material from the twin screw extruder is transferred to the second twin screw extruder 120 and additional polymer is added via the hopper 122. Other ingredients may be added to the throat as well or via a side stuffer (not shown). The polymer is the same as that used in the first twin screw extruder 100. The amount of polymer added is that amount necessary to achieve the desired wood pulp fiber content in the composite.

バッチ操作において、複合材を第一のツインスクリュー押出機に二度循環させて、この2回目の押出機通過時に追加のポリマーを添加することにより、第一のツインスクリュー押出機を第二のツインスクリュー押出機として使用することができる。この操作において、押出機のダイフェースは、開放型または部分開放型ダイフェースからダイ開口部を有するダイフェースに変化して、押出し物を形成すると予想される。   In batch operation, the composite is cycled twice through the first twin screw extruder, and additional polymer is added during the second pass of the extruder, thereby allowing the first twin screw extruder to move to the second twin screw extruder. It can be used as a screw extruder. In this operation, the die face of the extruder is expected to change from an open or partially open die face to a die face with a die opening to form an extrudate.

さらに追加の添加剤も、第二のツインスクリュー押出機に添加することができる。
複合材料は、ダイプレート中のダイ開口部を通って押出され、所定サイズに切断される。
Additional additives can also be added to the second twin screw extruder.
The composite material is extruded through a die opening in the die plate and cut to a predetermined size.

第二のツインスクリュー押出機からの押出し物は、水中用ペレタイザーによってペレットに形成してもよい。パルプ繊維は親水性であるため、水中用ペレタイザーはパルプ繊維と共に使用することはできないと考えられてきた。水中用ペレタイザーを使用することができ、ペレット中の繊維の含水量は1%またはそれ未満であることが見出された。いくつかの実施態様において、水の取り込みによる有害な作用はない。   The extrudate from the second twin screw extruder may be formed into pellets by an underwater pelletizer. Since pulp fibers are hydrophilic, it has been considered that underwater pelletizers cannot be used with pulp fibers. An underwater pelletizer can be used and the water content of the fibers in the pellets was found to be 1% or less. In some embodiments, there are no deleterious effects from water uptake.

図15は、水中用ペレタイザーの略図である。ペレットはダイプレート126中のダイのアパーチャ124を通って第二のツインスクリュー押出機120から出て切断チャンバー128に送られ、そこで押出し物はペレットに切断される。ペレットは、パイプ132により水で切断チャンバー128から分離セクション130に運搬される。熱いペレットが水で冷却される。一実施態様において、ペレットは、処理中に回転楕円体に成形される。分離セクション130では、ろ過によりペレットを水から分離する。分離した水は熱交換器134を通過し、そこで水が冷却される。水はパイプ136を通って切断チャンバー128に戻る。   FIG. 15 is a schematic diagram of an underwater pelletizer. The pellets exit the second twin screw extruder 120 through the die aperture 124 in the die plate 126 and are sent to the cutting chamber 128 where the extrudate is cut into pellets. The pellets are transported from the cutting chamber 128 to the separation section 130 with water by a pipe 132. Hot pellets are cooled with water. In one embodiment, the pellets are formed into spheroids during processing. In the separation section 130, the pellets are separated from the water by filtration. The separated water passes through the heat exchanger 134 where the water is cooled. The water returns to the cutting chamber 128 through the pipe 136.

分離したペレットは乾燥機セクション138を通過し、そこで残った水が除去される。サイクロン乾燥機が示されているが、乾燥機はどのような種類の乾燥機であってもよい。次いで乾燥させたペレットはペレットシュートに入り、袋詰め操作に送られ、そこでペレットは袋詰めされる。   The separated pellets pass through dryer section 138 where the remaining water is removed. Although a cyclone dryer is shown, the dryer may be any type of dryer. The dried pellets then enter a pellet chute and are sent to a bagging operation where the pellets are bagged.

多数の水中用ペレタイザーの製造元がある。このような製造元としては、ガーラ・インダストリーズ(Gala Industries)、ネオプラスト(Neoplast)、バーリン(Berlyn)、および デービス・スタンダード(Davis Standard)が挙げられる。   There are a number of manufacturers of underwater pelletizers. Such manufacturers include Gala Industries, Neoplast, Berlyn, and Davis Standard.

水中用ペレタイザーは多くの利点があるが、あらゆるタイプのペレタイザーを使用することができる。
溶融ポンプを使用して、ツインスクリュー押出機により発生する圧力および流れの振動を緩衝することにより、連続的な規則正しい押出し物供給を確実にすることができる。
Underwater pelletizers have many advantages, but any type of pelletizer can be used.
A melt pump can be used to ensure continuous and regular extrudate supply by buffering the pressure and flow oscillations generated by the twin screw extruder.

図14は、混合システムの他の実施態様を示す。
ポリマー中により多くのセルロース木材パルプ繊維を分散させることが必要な場合がある。2つのツインスクリューミキサーの間に、例えば図9に示されるシングルスクリュー押出機などの混合デバイスを配置させる。シングルスクリュー押出機を使用して、さらに繊維を分散させることができる。
FIG. 14 shows another embodiment of the mixing system.
It may be necessary to disperse more cellulose wood pulp fibers in the polymer. A mixing device such as a single screw extruder shown in FIG. 9 is arranged between the two twin screw mixers. A single screw extruder can be used to further disperse the fibers.

以下に示す希釈ペレット(let-down pellet)の様々な実施態様の議論において、それぞれ個々のペレットが、これらの実施態様のそれぞれのうち1種またはそれより多くであってもよいことが理解されるものとする。   In the discussion of the various embodiments of the let-down pellets shown below, it is understood that each individual pellet may be one or more of each of these embodiments. Shall.

以下の試験のうちいくつかにおいて、複合ポリマーは、ドッグボーンの形状に成形され、このドッグボーンの形状は、以下の寸法:6〜3/8インチの長さ、1/8インチの厚さ、3/4インチ幅の端部断面、2/1インチ幅の中央断面、および2.7インチまたは68mmの中央断面の長さを有する。これらは、文章中でドッグボーンが述べられた場合のドッグボーンの寸法である。ドッグボーンの成形は、加熱および圧縮下でなされる。大量の繊維を含むマスターバッチのペレットの成形は、材料を成形するのに必要な大きい熱量および圧力のために繊維の分解を引き起こし、それにより繊維は茶色に変色する。   In some of the following tests, the composite polymer is molded into a dogbone shape, which has the following dimensions: 6 to 3/8 inch long, 1/8 inch thick, It has a 3/4 inch wide end cross section, a 2/1 inch wide central cross section, and a 2.7 inch or 68 mm central cross section length. These are the dimensions of the dogbone when the dogbone is mentioned in the text. The dogbone is formed under heat and compression. Molding of masterbatch pellets containing a large amount of fiber causes fiber degradation due to the large amount of heat and pressure required to mold the material, thereby turning the fiber brown.

一実施態様において、10〜50重量%の漂白化学木材パルプ繊維を有する希釈複合材料が提供される。その残りは、ポリマーおよび他の添加剤である。他の実施態様において、20〜40重量パーセントの漂白化学木材パルプ繊維を有する希釈複合材料(let-down composite)が提供され、その残りは、上述したようにポリマーおよび他の添加剤である。   In one embodiment, a diluted composite material having 10-50% by weight bleached chemical wood pulp fibers is provided. The rest is polymer and other additives. In another embodiment, a let-down composite having 20 to 40 weight percent bleached chemical wood pulp fibers is provided, the remainder being a polymer and other additives as described above.

一実施態様において、希釈複合材料は、白色度試験によって測定した場合、少なくとも20の白色度を有する。他の実施態様において、希釈複合材料は、白色度試験によって測定した場合、少なくとも30の白色度を有する。   In one embodiment, the diluted composite material has a whiteness of at least 20 as measured by a whiteness test. In other embodiments, the diluted composite material has a whiteness of at least 30 as measured by a whiteness test.

組成物中に65重量%またはそれより多くの繊維を有するマスターバッチ組成物は、材料をドッグボーンに形成するのに必要な熱および圧力により繊維が劣化して茶または黒への着色が起こるために、この白色度を有さない。   Masterbatch compositions with 65% by weight or more fibers in the composition cause the fibers to deteriorate due to the heat and pressure required to form the material into dogbone, resulting in brown or black coloration. It does not have this whiteness.

白色度試験
この方法は、開口部を通して単一光源を45度の角度でドッグボーンに集中させ、反射光を標準的なスペクトル特性を有するフィルターに通過させて、ドッグボーンの上面に垂直に配置した光検出器によって測定を行う方法である。反射光の量を、機器のメモリに保存された公知のスペクトル特性を有する酸化マグネシウムと比較する。反射光の酸化マグネシウムに対する比率は、パーセンテージで示される。
Whiteness test This method focused a single light source through the aperture at a 45 degree angle on the dogbone, passing the reflected light through a filter with standard spectral characteristics and placing it perpendicular to the top surface of the dogbone. This is a method of measuring with a photodetector. The amount of reflected light is compared to magnesium oxide having a known spectral characteristic stored in the instrument's memory. The ratio of reflected light to magnesium oxide is expressed as a percentage.

この機器は、テクニダイン(Technidyne)のブライトイメーター・マイクロS−5(Brightimeter MICRO S-5)である。この機器は、試験の30分前に温められると予想される。反射光は、457ナノメートルの有効波長を有するフィルターを通過する。   This instrument is a Brightimeter MICRO S-5 from Technidyne. The instrument is expected to warm up 30 minutes before testing. The reflected light passes through a filter having an effective wavelength of 457 nanometers.

1つのドッグボーンを、例えば異なるポリマー、異なるポリマー量、異なる繊維量、異なる添加剤などのそれぞれ異なる複合材料条件で試験する。ドッグボーンの上部に重量1kgのおもりを置く。ドッグボーンは4つの主要コンパス点を回り、4つの色度値を得て、これらを平均する。   One dogbone is tested at different composite conditions such as different polymers, different polymer amounts, different fiber amounts, different additives, etc. Place a 1 kg weight on top of the dogbone. The dogbone goes around the four main compass points, gets the four chromaticity values, and averages them.

希釈複合材料の一実施態様において、希釈複合材料中の漂白化学木材パルプ繊維の平均分散度は、90%に等しいかまたはそれよりも大きい。希釈複合材料の他の実施態様において、希釈複合材料中の漂白化学木材パルプ繊維の平均分散度は、95%に等しいかまたはそれよりも大きい。他の実施態様において、希釈複合材料中の漂白化学木材パルプ繊維の平均分散度は、98%に等しいかまたはそれよりも大きい。他の実施態様において、希釈複合材料中の漂白化学木材パルプ繊維の平均分散度は、99%に等しいかまたはそれよりも大きい。平均分散度とは、繊維が複合材料全体に実質的に均一に分布していることを意味し、パーセンテージは、塊になっていない繊維の数である。これらのパーセンテージは、分散試験を使用して決定される。   In one embodiment of the diluted composite material, the average dispersity of the bleached chemical wood pulp fibers in the diluted composite material is equal to or greater than 90%. In another embodiment of the diluted composite material, the average dispersity of the bleached chemical wood pulp fibers in the diluted composite material is equal to or greater than 95%. In other embodiments, the average dispersity of the bleached chemical wood pulp fibers in the diluted composite material is equal to or greater than 98%. In other embodiments, the average dispersity of the bleached chemical wood pulp fibers in the diluted composite material is equal to or greater than 99%. Average dispersity means that the fibers are distributed substantially uniformly throughout the composite, and the percentage is the number of fibers that are not agglomerated. These percentages are determined using a dispersion test.

分散試験
分散度の測定は、ImageJ(NIH)を使用することによって達成される。ImageJは、http//imagej.nih.gov/ij/download.htmlでダウンロードできるフリーウェアである。以下のカスタムマクロで使用されるエロージョン(Erode)、バックグラウンド減算(Subtract Background)、粒子の分析(Analyze Particles)およびその他のコマンドは、ImageJにおける標準コマンドである。マクロは、標準的なIMageJコマンドを所定の順番で使用するだけで情報を得ることができる。
Dispersion test Measurement of the degree of dispersion is accomplished by using ImageJ (NIH). ImageJ is freeware that can be downloaded at http // imagej.nih.gov / ij / download.html. Erode, Subtract Background, Analyze Particles, and other commands used in the following custom macros are standard commands in ImageJ. Macros can obtain information simply by using standard IMageJ commands in a predetermined order.

サンプルは、上記で説明したようなドッグボーンである。サンプルのX線写真を撮り、その写真をスキャンしてデジタル画像にする。画像をImageJで開き、カスタムマクロを使用して画像を分析する。   The sample is a dogbone as described above. Take a sample X-ray and scan it into a digital image. Open the image in ImageJ and analyze the image using a custom macro.

カスタムマクロは、画像中のサンプルの位置を突き止める。次いでカスタムマクロは、エロージョン(Erode)コマンドを4回実行して、サンプル境界のアーティファクトを除去する。直径5ピクセルの転がるボール(rolling ball)、明るいバックグラウンド、およびスムージング不使用(smoothing disabled)で、バックグラウンド減算(Subtract Background)コマンドを適用する。ユーザー指定の閾値を使用することによってグレースケール画像を白黒に変換する。典型的な閾値は、241である。   Custom macros locate the sample in the image. The custom macro then executes the erosion command four times to remove sample boundary artifacts. Apply a Subtract Background command with a 5 pixel diameter rolling ball, bright background, and smoothing disabled. Convert a grayscale image to black and white by using a user specified threshold. A typical threshold is 241.

ここで画像は、未分散の繊維に相当する黒色の粒子を示す。粒子の分析(Analyze Particles)コマンドを使用して粒子を数える。縁に接触するものを除いた全ての粒子を数える。これは、マクロに粒子のように見えるが実際には粒子ではない辺縁効果が起こることが多いためである。   The image here shows black particles corresponding to undispersed fibers. Count particles using the Analyze Particles command. Count all particles except those that touch the edge. This is because the edge effect that appears macroscopically but is not actually a particle often occurs.

他の仮説は、処理工程に供給されたダイシング済みの木材パルプ材料は、中心線に沿って一回分裂または離層すると予想され、これらの分裂した粒子はさらに中心線に沿って一回分裂または離層する可能性があるというものである。マクロは、分析した粒子の半分が、一回分裂または離層したものであり、残りの半分が2回分裂または離層したものであると推測する。   Another hypothesis is that the diced wood pulp material fed to the process is expected to split or delaminate along the centerline, and these split particles further split or delaminate along the centerline. There is a possibility of delamination. The macro assumes that half of the analyzed particles have been split or delaminated once and the other half have been split or delaminated twice.

マクロは、未分散の粒子の領域を報告する。マクロは、全領域の半分が一回分裂した未分散の粒子で占められ、全領域の半分が2回分裂した粒子によって占められると推測する。   The macro reports the area of undispersed particles. The macro assumes that half of the total area is occupied by undispersed particles that have been split once and half of the total area is occupied by particles that have been split twice.

次いで未分散の粒子または繊維の総重量を計算する。以下の議論では、750グラム/平方メートル(gsm)の基本重量を有するパルプシートが使用される。マクロは、粒子の半分の基本重量は一回分裂した粒子であり、375gsmの基本重量を有し、分析した粒子の残りの半分は2回分裂した粒子であり、187gsmの基本重量を有すると推測する。未分散の粒子または繊維の総重量は、以下の式:
未分散の粒子の重量=0.0001×[0.5×(未分散の粒子の面積)cm×(375gsm)+0.5×(未分散の粒子の面積)cm×(187gsm)]
によって決定される。
The total weight of undispersed particles or fibers is then calculated. In the discussion below, a pulp sheet having a basis weight of 750 grams / square meter (gsm) is used. Macro estimates that half the basis weight of the particle is a single split particle, has a basis weight of 375 gsm, and the other half of the analyzed particle is a double split particle, having a basis weight of 187 gsm To do. The total weight of undispersed particles or fibers is given by the following formula:
Weight of undispersed particles = 0.0001 × [0.5 × (area of undispersed particles) cm 2 × (375 gsm) + 0.5 × (area of undispersed particles) cm 2 × (187 gsm)]
Determined by.

未分散の粒子の重量パーセントは、以下の式:
未分散の粒子の重量%=100×未分散の粒子の重量/サンプル中の繊維の総重量
によって算出される。
The weight percent of undispersed particles is calculated using the following formula:
Calculated by weight% of undispersed particles = 100 × weight of undispersed particles / total weight of fibers in sample.

分散された繊維の重量パーセントは、未分散の粒子の重量パーセントを100パーセントから引くことによって算出される。
実際のマクロは、以下の通りである。
The weight percent of dispersed fibers is calculated by subtracting the weight percent of undispersed particles from 100 percent.
The actual macro is as follows.

Figure 2015511186
Figure 2015511186

分散度は、繊維の含有量に依存する可能性がある。20重量%の漂白化学木材パルプ繊維を有する複合材料の一実施態様において、分散度は、99%に等しいかまたはそれよりも大きいことが見出された。30重量%の漂白化学木材パルプ繊維を有する複合材料の一実施態様において、分散度は、98%に等しいかまたはそれよりも大きいことが見出された。40重量%の漂白化学木材パルプ繊維を有する複合材料の一実施態様において、分散度は、92%に等しいかまたはそれよりも大きいことが見出された。   The degree of dispersion may depend on the fiber content. In one embodiment of a composite material having 20 wt% bleached chemical wood pulp fibers, the degree of dispersion was found to be equal to or greater than 99%. In one embodiment of a composite material having 30% by weight bleached chemical wood pulp fibers, the degree of dispersion was found to be equal to or greater than 98%. In one embodiment of a composite material having 40 wt% bleached chemical wood pulp fibers, the degree of dispersion was found to be equal to or greater than 92%.

希釈複合材料の臭いのレベルを、他の材料を含有する熱可塑性ポリマーの臭いのレベルと比較した。3つのレベルの希釈複合材料、すなわち20重量%の漂白化学木材パルプ繊維を含有するポリマー、30重量%の漂白化学木材パルプ繊維を含有するポリマー、および40重量%の漂白化学木材パルプ繊維を含有するポリマーを試験した。これらを、熱可塑性ポリマー単独の対照、30重量%のガラス繊維を含有するポリマー、30重量%のサイザルを含有するポリマー、および30重量%のカエデ木粉を含有するポリマーと比較した。   The odor level of the diluted composite was compared to the odor level of the thermoplastic polymer containing other materials. Contains three levels of dilute composites: a polymer containing 20% by weight bleached chemical wood pulp fibers, a polymer containing 30% by weight bleached chemical wood pulp fibers, and 40% by weight bleached chemical wood pulp fibers The polymer was tested. These were compared to a thermoplastic polymer alone control, a polymer containing 30% glass fiber, a polymer containing 30% sisal, and a polymer containing 30% maple wood flour.

使用した試験は、ASTM E679であり、セントクロイクス・センサリー(St. Croix Sensory、1−800−879−9231)より入手可能なアセント嗅覚計(Ac’scent olfactometer)を使用した。この試験において、サンプルを、試験前に40℃で24時間、9Lのテドラー(Tedlar)バッグ中に置く。嗅覚計は、バルブを通過する速い流速の無臭の空気によりサンプルバッグから空気を引き抜き空気ストリームに送るベンチャーバルブシステムを使用する。8〜66,000の希釈係数を得ることができる。報告された数値は、サンプルの臭いが検出された希釈係数である。希釈の数値が大きければ大きいほど、その材料はより臭いが強い。結果は以下の通りである。   The test used was ASTM E679, using an Ac'scent olfactometer available from St. Croix Sensory, 1-800-879-9231. In this test, samples are placed in a 9 L Tedlar bag at 40 ° C. for 24 hours prior to testing. The olfactory meter uses a venture valve system that draws air from the sample bag by a fast flow of odorless air through the valve and sends it to the air stream. A dilution factor of 8-66,000 can be obtained. The reported number is the dilution factor at which sample odor was detected. The higher the dilution number, the stronger the odor of the material. The results are as follows.

Figure 2015511186
Figure 2015511186

漂白化学木材パルプ繊維を含む熱可塑性ポリマーの希釈レベルは、ガラス繊維などの他の材料のどれよりも低く、熱可塑性ポリマーに取り入れられた木材パルプ繊維の量に関係なく実質的に同じであることがわかる。   The dilution level of the thermoplastic polymer containing bleached chemical wood pulp fibers is lower than any other material such as glass fiber and is substantially the same regardless of the amount of wood pulp fibers incorporated into the thermoplastic polymer I understand.

希釈複合材料の実用性を決定するために、希釈ペレットのモールドフロー(Moldflow)(登録商標)レポートを依頼した。モールドフロー(登録商標)レポートは、どの程度材料を成形過程に循環させるかを決定し、射出成形過程中の材料の挙動に関する知見を得るために産業界で使用されている。このレポートで、30%漂白化学木材パルプ繊維を含むポリプロピレン複合材料と、2種の20%ガラス充填ポリプロピレン複合材料とを比較した。   In order to determine the usefulness of the diluted composite material, a Moldflow® report of diluted pellets was requested. Moldflow® reports are used in the industry to determine how much material is circulated through the molding process and to gain insight into the behavior of the material during the injection molding process. In this report, a polypropylene composite containing 30% bleached chemical wood pulp fibers was compared to two 20% glass filled polypropylene composites.

以下に示すレポートからの表は、頑丈な部分に関する冷却時間の研究を提供する。ランナーとは、金型に至るチャンネルであり、この金型は、ホットランナーでもよいし、またはコールドランナーでもよい。コールドの場合、部品を用いてランナーを取り出し、縁を切り落とし、再利用するかまたは廃棄物として捨てなければならない。ホットの場合、内容物を溶融した状態に保ち、これを次の射出サイクルのための射出されたプラスチックの最初のビットとして使用する。   The table from the report below provides a study of the cooling time for a sturdy part. A runner is a channel leading to a mold, and this mold may be a hot runner or a cold runner. In the case of cold, the part must be used to remove the runner, trim the edges, reuse it, or throw it away as waste. If hot, keep the contents molten and use this as the first bit of injected plastic for the next injection cycle.

Figure 2015511186
Figure 2015511186

漂白化学木材パルプ繊維充填ポリプロピレンは、ガラス充填ポリプロピレンよりもかなり短い冷却時間を有していたことがわかる。これは、サイクル時間がより速く、所定期間でより多くの部品が生産されることと解釈される。   It can be seen that the bleached chemical wood pulp fiber filled polypropylene had a much shorter cooling time than the glass filled polypropylene. This translates to faster cycle times and more parts being produced in a given period.

これはさらに、レポートからの別の表、すなわち20%ガラス充填ポリプロピレン材料および30%漂白化学木材パルプ繊維充填ポリプロピレン材料に関して、成形された部品の一般的な「平均」サイクル時間を比較した表でも示される。   This is also shown in another table from the report, a table comparing the typical “average” cycle times of molded parts for 20% glass filled polypropylene material and 30% bleached chemical wood pulp fiber filled polypropylene material. It is.

Figure 2015511186
Figure 2015511186

化学木材パルプ繊維が充填された材料の一般的な「平均」サイクル時間は、ガラス充填材料のサイクル時間の75%である。これは、かなり速い生産速度をもたらす。
また、10〜50重量%の木材パルプ繊維と、25〜85重量%の熱可塑性ポリマーとを含む組成物は、別の特性を有することにも留意する。成形された構造の端部は、触覚的な傷がないか、または実質的にない。触覚的な傷とは、手または指を成形された部品の端部に沿って移動させたときに感じることができる傷である。触覚的な傷は、視覚的な傷と区別すべきである。部品が、見てわかる視覚的な端部の傷を有するが、感じることができる触覚的な端部の傷を有さない場合がある。部品の端部は、部品の2つの面と面との間の境界層である。部品の端部は、通常は丸められているか、または部品の面と所定角度をなしている。部品の端部は、丸められているか、または部品の面と90°の角度をなしていることが多い。一実施態様において、端部は、触覚的な傷がないと予想される。他の実施態様において、端部は、端部1フィートまたはそれ未満につき平均して1つまたはそれ未満の触覚的な傷を有すると予想される。他の実施態様において、端部は、端部1フィートまたはそれ未満につき平均して2つまたはそれ未満の触覚的な傷を有すると予想される。用語「1フィートまたはそれ未満」は、合計端部長さが正確なフィート数よりも小さい場合、合計端部長さは、触覚的な傷を決定する際、2番目に大きいフィート長として扱われることを意味する。例えば、構造が8インチの合計端部長さを有する場合、合計端部長さは、触覚的な傷の数を決定する際、1フィートの合計端部長さを有するものとして扱われ、合計端部長さが2フィート4インチの場合、合計端部長さは、触覚的な傷の数を決定する際、3フィートの合計端部長さを有するものとして扱われる。
A typical “average” cycle time for materials filled with chemical wood pulp fibers is 75% of the cycle time for glass-filled materials. This results in a much faster production rate.
It is also noted that compositions comprising 10-50% by weight wood pulp fibers and 25-85% by weight thermoplastic polymer have other properties. The ends of the molded structure are free or substantially free of tactile scratches. A tactile wound is a wound that can be felt when a hand or finger is moved along the edge of a molded part. Tactile wounds should be distinguished from visual wounds. The part may have a visual edge scar that is visible but may not have a tactile edge scar that can be felt. The end of the part is the boundary layer between the two faces of the part. The end of the part is usually rounded or at a predetermined angle with the face of the part. The end of the part is often rounded or at an angle of 90 ° with the face of the part. In one embodiment, the end is expected to be free of tactile flaws. In other embodiments, the ends are expected to have an average of one or less tactile wounds per foot or less of the end. In other embodiments, the ends are expected to have an average of 2 or less tactile scratches per foot or less of the end. The term “1 foot or less” means that if the total edge length is less than the exact number of feet, the total edge length is treated as the second largest foot length in determining tactile flaws. means. For example, if the structure has a total edge length of 8 inches, the total edge length is treated as having a total edge length of 1 foot when determining the number of tactile scratches, and the total edge length Is 2 feet 4 inches, the total edge length is treated as having a total edge length of 3 feet when determining the number of tactile scratches.

また65〜85重量パーセントの繊維を含有するマスターバッチのペレットも、成形部品を形成するための射出成形操作で、10〜50重量パーセントの繊維または20〜40重量パーセントの繊維に希釈させる(let down)ことができる。射出成形機にペレットを添加し、さらに射出成形機に、繊維の量を10〜50重量パーセントの繊維または20〜40重量%の繊維に減らすのに必要な追加の熱可塑性ポリマーを添加する。ポリマーは、最終的な繊維量に希釈され(let down)、それと同時に成形部品が形成される。それにより、別個の操作として繊維の量を減らすのにかかる費用が少なくなる。   Masterbatch pellets containing 65-85 weight percent fibers are also let down to 10-50 weight percent fibers or 20-40 weight percent fibers in an injection molding operation to form a molded part. )be able to. The pellets are added to the injection molding machine, and the additional thermoplastic polymer necessary to reduce the amount of fibers to 10-50 weight percent fibers or 20-40 weight percent fibers is added to the injection molding machine. The polymer is let down to the final fiber volume and at the same time a molded part is formed. This reduces the cost of reducing the amount of fiber as a separate operation.

例示的な実施態様を図示し、説明したが、特許請求された主題の本質および範囲から逸脱することなくそれらに様々な変化を施すことができることが理解されよう。   While exemplary embodiments have been illustrated and described, it will be appreciated that various changes can be made therein without departing from the spirit and scope of the claimed subject matter.

10 粒子
12、14、16、18、20、22 辺
24 粒子の上部
26 粒子の下部
30 ミキサー
32 ホッパー
34 スクリューフィーダー
36 混合チャンバー
38 ブレード
40 モーター
42 混合チャンバー壁
44 ドア
50 ペレットミル
52 ホッパー
54 繊維/ポリマー複合材
56 穴の開いたプレート
58 アパーチャ
60 ペレット
62 ホイール
64 軸
66 ローター
80 押出機
82 ホッパー
84 バレル
86 スクリュー
88 ダイプレート
90 ピン
92 アパーチャ
100 第一のツインスクリュー押出機
102、104 ホッパー
105 レストリクター
106 開口部
107 レストリクターの上面
108 レストリクターの下面
109、110 側面
120 第二のツインスクリュー押出機
122 ホッパー
10 Particles 12, 14, 16, 18, 20, 22 Side 24 Upper part of particle 26 Lower part of particle 30 Mixer 32 Hopper 34 Screw feeder 36 Mixing chamber 38 Blade 40 Motor 42 Mixing chamber wall 44 Door 50 Pellet mill 52 Hopper 54 Fiber / Polymer composite 56 Perforated plate 58 Aperture 60 Pellet 62 Wheel 64 Shaft 66 Rotor 80 Extruder 82 Hopper 84 Barrel 86 Screw 88 Die plate 90 Pin 92 Aperture 100 First twin screw extruder 102, 104 Hopper 105 restrictor 106 Opening 107 Upper surface of restrictor 108 Lower surface of restrictor 109, 110 Side surface 120 Second twin screw extruder 122 Hopper

Claims (16)

木材パルプ繊維と熱可塑性ポリマーとを含むペレットの製造方法であって、該方法は、
10〜50重量%の木材パルプ繊維と、45〜85重量%の熱可塑性ポリマーとを含む押出し物をダイで押出し成形すること、
押出し物を切断してペレットにすること、
押出し物より温度が低い水を用いて押出し物からペレットを取り出すこと、
ペレットを水からろ過すること
を含み、
ここでペレット中の木材パルプ繊維は、1%またはそれ未満の含水量を有する、上記製造方法。
A method for producing pellets comprising wood pulp fibers and a thermoplastic polymer, the method comprising:
Extruding an extrudate comprising 10-50 wt% wood pulp fibers and 45-85 wt% thermoplastic polymer with a die;
Cutting the extrudate into pellets,
Removing the pellets from the extrudate using water at a lower temperature than the extrudate,
Filtering the pellets from the water,
Here, the wood pulp fibers in the pellets have a water content of 1% or less.
前記木材パルプ繊維が、漂白化学木材パルプ繊維である、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the wood pulp fibers are bleached chemical wood pulp fibers. 前記熱可塑性ポリマーが、バイオポリマー、ポリ乳酸、酢酸セルロース、プロピオン酸セルロース、酪酸セルロース、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリオレフィン、ポリエチレン、高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、直鎖状低密度ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリスチレンコポリマー、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレンコポリマー、スチレンブロックコポリマー、塩化ビニル、および再利用プラスチックからなる群より選択される、請求項1に記載の方法。   The thermoplastic polymer is a biopolymer, polylactic acid, cellulose acetate, cellulose propionate, cellulose butyrate, polycarbonate, polyethylene terephthalate, polyolefin, polyethylene, high density polyethylene, low density polyethylene, linear low density polyethylene, polypropylene, polystyrene, The method of claim 1, selected from the group consisting of polystyrene copolymers, acrylonitrile-butadiene-styrene copolymers, styrene block copolymers, vinyl chloride, and recycled plastics. 前記ペレットからろ過された水を冷却すること、
水を押出し物に再利用すること
をさらに含む、請求項1に記載の方法。
Cooling the filtered water from the pellets;
The method of claim 1, further comprising recycling water to the extrudate.
前記木材パルプ繊維が、漂白化学木材パルプ繊維である、請求項4に記載の方法。   The method of claim 4, wherein the wood pulp fibers are bleached chemical wood pulp fibers. 前記熱可塑性ポリマーが、バイオポリマー、ポリ乳酸、酢酸セルロース、プロピオン酸セルロース、酪酸セルロース、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリオレフィン、ポリエチレン、高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、直鎖状低密度ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリスチレンコポリマー、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレンコポリマー、スチレンブロックコポリマー、塩化ビニル、および再利用プラスチックからなる群より選択される、請求項4に記載の方法。   The thermoplastic polymer is a biopolymer, polylactic acid, cellulose acetate, cellulose propionate, cellulose butyrate, polycarbonate, polyethylene terephthalate, polyolefin, polyethylene, high density polyethylene, low density polyethylene, linear low density polyethylene, polypropylene, polystyrene, 5. The method of claim 4, selected from the group consisting of polystyrene copolymers, acrylonitrile-butadiene-styrene copolymers, styrene block copolymers, vinyl chloride, and recycled plastics. 前記材料をダイにポンプで送ることをさらに含む、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, further comprising pumping the material to a die. 押出し物が、20〜40重量%の木材パルプ繊維と、55〜&5重量%の熱可塑性ポリマーとを含む、請求項1に記載の方法。   The process of claim 1 wherein the extrudate comprises 20-40% by weight wood pulp fibers and 55- & 5% by weight thermoplastic polymer. 前記木材パルプ繊維は膨潤していない、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the wood pulp fibers are not swollen. 前記木材パルプ繊維が、漂白化学木材パルプ繊維である、請求項9に記載の方法。   The method of claim 9, wherein the wood pulp fibers are bleached chemical wood pulp fibers. 前記熱可塑性ポリマーが、バイオポリマー、ポリ乳酸、酢酸セルロース、プロピオン酸セルロース、酪酸セルロース、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリオレフィン、ポリエチレン、高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、直鎖状低密度ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリスチレンコポリマー、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレンコポリマー、スチレンブロックコポリマー、塩化ビニル、および再利用プラスチックからなる群より選択される、請求項9に記載の方法。   The thermoplastic polymer is a biopolymer, polylactic acid, cellulose acetate, cellulose propionate, cellulose butyrate, polycarbonate, polyethylene terephthalate, polyolefin, polyethylene, high density polyethylene, low density polyethylene, linear low density polyethylene, polypropylene, polystyrene, 10. The method of claim 9, selected from the group consisting of polystyrene copolymers, acrylonitrile-butadiene-styrene copolymers, styrene block copolymers, vinyl chloride, and recycled plastics. 前記ペレットからろ過された水を冷却すること、
水を押出し物に再利用すること
をさらに含む、請求項9に記載の方法。
Cooling the filtered water from the pellets;
The method of claim 9, further comprising recycling water to the extrudate.
前記木材パルプ繊維が、漂白化学木材パルプ繊維である、請求項12に記載の方法。   The method of claim 12, wherein the wood pulp fibers are bleached chemical wood pulp fibers. 前記熱可塑性ポリマーが、バイオポリマー、ポリ乳酸、酢酸セルロース、プロピオン酸セルロース、酪酸セルロース、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリオレフィン、ポリエチレン、高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、直鎖状低密度ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリスチレンコポリマー、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレンコポリマー、スチレンブロックコポリマー、塩化ビニル、および再利用プラスチックからなる群より選択される、請求項12に記載の方法。   The thermoplastic polymer is a biopolymer, polylactic acid, cellulose acetate, cellulose propionate, cellulose butyrate, polycarbonate, polyethylene terephthalate, polyolefin, polyethylene, high density polyethylene, low density polyethylene, linear low density polyethylene, polypropylene, polystyrene, 13. The method of claim 12, wherein the method is selected from the group consisting of polystyrene copolymers, acrylonitrile-butadiene-styrene copolymers, styrene block copolymers, vinyl chloride, and recycled plastics. 前記材料をダイにポンプで送ることをさらに含む、請求項9に記載の方法。   The method of claim 9, further comprising pumping the material to a die. 押出し物が、20〜40重量%の木材パルプ繊維と、55〜&5重量%の熱可塑性ポリマーとを含む、請求項9に記載の方法。   10. The method of claim 9, wherein the extrudate comprises 20-40% by weight wood pulp fibers and 55- & 5% by weight thermoplastic polymer.
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